Development of polycarbonate multifunctional foams with graphene nanoplatelets

Abstract

The goal of this research was to determine the relations between processing, structure and properties of polycarbonate-graphene nanoplatelets (PC-GnP) foams. Using two different foaming processes (in one and two steps) using supercritical carbon dioxide (scCO2) as a physical foaming agent, a series of foams were prepared and investigated. The effects of processing variables (P, T and time) and the materials composition (% GnP) on the cellular morphology, microstructure and properties of the foams were investigated. The addition of GnP promoted cell nucleation in PC, allowing the preparation of foams with a broad range of relative densities, varying from 0.07 to 0.80, with average cell sizes ranging from a few to hundreds of micrometers. Changes in PC microstructure during processing in the presence of CO2 and GnP were investigated as well as the variation of the thermal stability of the foams. At the microstructural level, the foams prepared in two steps (typical foaming temperature of 165 ºC) the foams remained amorphous, while the foams prepared in one step with typical foaming temperatures above 200 ºC, developed a degree of crystallinity. The thermal stability of the foams was observed to be higher when compared with the thermal stability of the unfoamed material, attributed to the thermal insulator effect of the cellular structure. In addition, the presence of GnP delayed the diffusion of gaseous products due to the barrier effect. These enhancements suggest the use of these foams in higher temperatures when compared with PC. The influence of density, morphology and microstructure on the mechanical and transport properties of the foams was analyzed. Regarding the viscoelastic properties of foams, it was observed different linear relations in terms of their storage modulus with density, depending on the density, composition and cellular morphology. The crystallinity in the foams prepared in one step allow to explain the stiffer nature when compared with the foams prepared in two steps, regardless of their comparatively smaller cell densities and larger cells. Regarding the electrical conductivity, in addition to the content of conductive nanoparticles, the effect of the cellular structure on the electrical conductivity of the foams was evident. The enhancement of conductivity while reducing the relative density of foams, suggesting the formation of a more effective conductive network, resulting from a better dispersion and/or distribution of nanoparticles when increasing the expansion ratio. This effect was also observed in the electromagnetic interference (EMI) shielding properties. In the case of the thermal conductivity, it was mainly controlled by foam densities, while the cellular morphology of foams had a smaller impact. It was observed a reduction of 90 % in density of pure PC promoted a reduction in thermal conductivity of 80 % approximately. The addition of a small fraction (0.5 wt%) of GnP promoted up to 95% enhancement of the thermal conductivity as compared to pure PC foams with similar relative densities. This was attributed to a better thermal conductivity through the solid fraction with GnP. The addition of higher GnP contents (5 wt%) led to foams with thermal conductivities similar to that of the unfoamed composite (5 wt%). These results suggest the use of PC-GnP foams could be considered for applications where dissipation of heat is needed while using lightweight materials

Este trabajo fue llevado a cabo con el objetivo de determinar las relaciones entre procesado, estructura y propiedades de los nanocompuestos espumados de policarbonato con nanoparticulas de grafeno (PC-GnP). Se prepararon e investigaron series de espumas producidas según dos procesos diferentes de espumación (proceso en una etapa y en dos etapas) usando dióxido de carbono supercrítico (scCO2) como agente físico de espumación. Se analizaron los efectos de las variables del proceso (presión, temperatura y tiempo) y de la composición del material (% GnP) sobre la morfología, estructura y propiedades de las espumas. La incorporación de GnP favoreció la nucleación celular en el polímero, permitiendo preparar espumas con un amplio rango de densidades relativas, entre 0.07 y 0.80, con tamaños celulares promedio de entre unos pocos micrómetros hasta varios cientos. Se investigaron, asimismo, los cambios microestructurales desarrollados por el PC durante el procesado en presencia de scCO2 y GnP, así como la variación de la estabilidad térmica de las espumas. A nivel estructural, en el caso de espumación llevada a cabo en dos etapas (Temperatura típica de espumación 165 ºC) las espumas no desarrollaban cristalinidad, mientras que las espumas producidas directamente en una etapa, con temperatura típica de espumación superior a 200 ºC, presentaban un grado de cristalinidad. La estabilidad térmica de las espumas resultaba superior a la del material no celular, debido al efecto aislante de la estructura celular. Asimismo, las nanopartículas GnP limitaban la difusión de los productos gaseosos por efecto barrera. Ello sugiere, para estas espumas, eventuales aplicaciones de mayor temperatura que las del propio PC. Por otra parte, con respecto a las propiedades termomecánicas de las espumas, se encontraron diferentes relaciones entre los valores del módulo de almacenamiento con la densidad, dependiendo de la densidad, composición y morfología celular. Asimismo, la cristalinidad desarrollada en las espumas producidas en el proceso de una etapa, permitió explicar su mayor rigidez frente a las producidas en dos etapas, a pesar de tener menores densidades celulares y superiores tamaños de celda. Por lo que respecta a la conductividad eléctrica, además de la concentración de partículas conductoras GnP, se evidenció la influencia de la estructura celular de la espuma como una característica relevante sobre dicha propiedad. Así, se puso de manifiesto el aumento de la conductividad al disminuir la densidad relativa de las espumas, sugiriendo una red de conducción eléctrica más efectiva, que resultaría de una mayor dispersión y/o mejor distribución de las partículas al aumentar el grado de espumación. Este efecto se pudo observar sobre las propiedades de protección frente a la interferencia electromagnética (EMI-SE). En el caso de la conductividad térmica, esta fue determinada principalmente por la densidad relativa de las espumas y, en menor medida, por su morfología celular. Así, una disminución del 90 % en la densidad del material conllevó una reducción de la conductividad térmica de un 80% aproximadamente. De igual modo, una fracción másica tan pequeña como un 0.5 % de GnP promovió hasta un 95% de incremento de conductividad térmica en espumas de similar densidad. El efecto se atribuye a una mejor conducción de la fase sólida que contiene las partículas GnP. En este sentido, las espumas con contenidos de GnP del 5 % en peso, manifestaron conductividades térmicas del mismo orden que las del compuesto no celular sin espumar. Estos resultados sugieren eventuales aplicaciones para las espumas de PC-GnP donde se requiera disipación de calor con materiales ligeros